JP3716180B2 - 水含有燃料安定化用添加剤およびこの添加剤により安定化された燃料 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、内燃機関用の燃料として使用され、液化炭化水素（例えば、ペトロール、ガソリン、ディーゼル燃料、ケロシン）以外にまた、水を含有する液体燃料の安定化に良好な結果をもって使用することができる添加剤に関する。本発明はまた、上記添加剤で安定化された燃料およびその製造方法に関する。本発明はまた、上記添加剤の水含有液化炭化水素燃料の安定化における使用およびこのような安定化された燃料の内燃機関を駆動させるための使用に関する。
【０００２】
液体有機燃料に水を添加することによって、内燃機関の性能を高めることができることは公知である。エンジンの駆動に要する液体有機燃料の量はまた、ここに水を添加することによって減少させることができる。上記の有利な結果は、ガソリンのオクタン価は、そこに水を添加することによって増加することができることにあり、および第二の有利な結果として、有機燃料の燃焼から生じる環境汚染を抑制することができることにある。
【０００３】
上記利点をできるだけ充分に達成するために、約６０年の努力がなされてきたが、従来公知の解決法によっては、時には、意図した結果と釣り合わない非常に高価な装置をもってのみ達成することができた。従って、例えば第二次大戦期間中、その性能の増大のために、このような技術的解決法がホッカー(Focker)型戦闘機に使用された。この場合、電気式点火後に、分離したインゼクターによりエンジンのシリンダーに水が注入された。この解決法が性能の１０〜１５％の増加をもたらしたことは確かなことである。しかしながら、エンジンを駆動させるためには、それらの構造を変更し、また正確に調節したインゼクターを設置する必要があった。航空機の場合、インゼクターおよび分離した水タンクの搭載は、重量を望ましくないほど増加させることは、顕著な追加の欠点であった。
【０００４】
EP0177484A1 に記載の方法による場合、燃料および水の分散液がエンジンの燃焼室に注入されている。この目的に対して、顕著な技術的変更をエンジンの構造に対して行わなければならず、また種々の追加の構造要素（例えば、熱交換器、コレクターなど）を搭載しなければならない。EP0142580A1 に記載の解決法は、同一原理に基づいている；この場合、エンジンに対して行われる構造上の変更にのみ、従来法と基本的に相違している。
EP0311877A2 に記載の方法による場合、水が燃料とともに生成された分散液としてではなく、水は水蒸気として燃焼室に導入される。これは、特殊なシリンダーヘッドの使用を要し、また数種の付属機器をエンジンに設置しなければならない。
【０００５】
従って、上記に挙げた解決法は、エンジンおよびその周辺技術の両方を格別に変更しなければならないという共通の欠点を有し、一方で、走行に費用がかかり、また他方で、このような変更された構造体はもはや、慣用の燃料で駆動させることはできない。水性燃料は、安全駆動することができるのに充分に延長された期間にわたり安定化させることができず、従って水／燃料混合物をその成分から燃焼室で直接に形成しなければならないことから、構造変更が第一に必要であった。これらの解決法は、上記した特殊な構造上の要件からみて、広範な実用化に到達しなかった。
【０００６】
US5,156,114 は、水２０〜８０ｖ／ｖ％を含有する液体燃料の内燃機関における使用を開示している。この解決法にはまた、一般に点火の電気的に陰性の電極として、水素発生触媒を燃焼室内に配置しなければならないような方法でのエンジンの変更を必要とする。この水素発生触媒は、有機燃料とともに導入される水の少なくとも一部を水素と酸素とに変換し、発生した水素は有機燃料とともに燃焼される。生成する追加の動力は、水蒸気膨張から生じる追加の動力とともに、有機燃料の量の減少から生じる動力不足を充分に補償する。
【０００７】
この特許は燃料として水性メタノールまたは水性エタノールの使用を主として検討している。この場合、両方の有機成分が水と充分に混和することから、不均質の問題は発生しない。例の一つとして、著者はまた、水性ディーゼル燃料を引用しているが、この場合、燃料混合物をエマルジョンとして使用しなければならず、また望ましくない水濃度を回避するために、追加の迂回パイプをエンジンに配置しなければならないものと忠告している。水および有機炭化水素燃料を含有するエマルジョンの安定化にかかわるデータは、この刊行物中に見出すことはできず、また非常に一般的な情報のみが利用可能な界面活性剤について与えられているのみである、すなわち炭化水素燃料を水中に分散させることを助ける市販の界面活性剤の全部がこの目的に適合しているという情報が与えられているのみである。
【０００８】
上記引用刊行物に開示されている解決法の欠点の一つは、エンジンを炭化水素燃料単独で駆動させる場合、これらの変更はもはや妨害にはならないが、エンジン（および炭化水素燃料が使用される場合、その付属機器もまた）は依然として変更されなければならないことにある。さらにより重大な欠点として、このエンジンは充分に水と混和性の種類の燃料（すなわち、アルコールまたは水性アルコール）または水と不混和性の種類の燃料（すなわち、炭化水素または水と炭化水素とのエマルジョン）のどちらかを用いて駆動させることができるものであることがある。この理由は、これら２種の燃料のいずれか偶発的混合は安定性の問題およびそれに付随する駆動妨害を直ちに生じさせることにある。従って、タンク内に実際に充填されるこの種の燃料が、給油所で入手することができない際には、燃料の種類の変更前に、タンクの内容物を完全に消費しなければならないか、または乗り物は２個の別々の燃料タンクを備えていなければならない。
【０００９】
このような安定性の問題がまた、タンク内にすでに存在し、また補給しなければならない炭化水素を基材とする燃料が、相違する水含有量を有する場合にも生じることは勿論のことである。重大な欠点として、引用刊行物は水含有液化炭化水素の安定化にかかわるいずれの実際的解決法も開示していない。従って、その利点にもかかわらず、上記特許に開示されている解決法は液化炭化水素により駆動する内燃機関に対して一般化されなかった。
【００１０】
本発明者らの以前の国際特許出願No.PCT/HU97/00029 において、本発明者らは種々の界面活性剤または界面活性剤混合物を用いる液化炭化水素燃料の水性混合物の安定化方法を開示した。乳化剤およびその組合わせを適当に選択することによって、本発明者らは、比較的延長された期間にわたり安定であり、またエンジンの変更および追加の付属機器の装備をを必要とすることなく、全部の型式の広く使用されている内燃機関で直接に燃焼させることができる水性液化炭化水素燃料組成物の生成に成功した。この方法で、現存のエンジンの構造を変更することなく、水導入による好ましい成果の全部（動力の増加、炭化水素の節約、オクタン価の増加など）を良好に達成することができる。
【００１１】
しかしながら、要件をさらに実際上で評価すると、駆動安定性、輸送および貯蔵にかかわる要件に関して、水の存在に関与する全部の利点を提供することに加えて、充分に清明であり、透明であり、また沈降物を含有しておらず、この状態を数年にわたり保有し、および相違する水含有量を有する燃料との混合［給油(topping up)］に対して比較的不感受性である水含有液化炭化水素燃料に、商業的有用性を見出すことができることは明白である。引用特許に開示されている組成物は、これらの増大する要件を充分に満すものではない。
【００１２】
本発明者らは調査研究を継続し、上記要件に充分に適合する水性液化炭化水素燃料が、下記成分を含有する添加剤により安定化した場合に得られることを予想外に見出した：
−炭素原子５〜１０個を有するアルコール、
−上記アルコールの１重量部について計算して、０．５〜３重量部の炭素原子５〜１０個を有するカルボン酸アミド、および
−上記アルコールの１重量部について計算して、３〜１０重量部の炭素原子５〜１０個を有するカルボン酸。
従って、一態様において、本発明は上記組成を有する添加剤に関する。
【００１３】
本発明による添加剤は、水性液化炭化水素燃料の安定化のために従来示唆された組成物とは、この成分のいずれも界面活性剤でない点で基本的に相違する。この添加剤を水および液化炭化水素燃料と混合した場合、十分に透明な液体が得られ、この液体は数年にわたりその安定性を保有する（優先日まで試験された最も古い試料は、３年の保存後に変化しなかった）ことは極めて驚くべきことである。本発明による添加剤を液化炭化水素燃料と水との混合物に添加した場合、混合に際して僅かに温かくなることがまた、見出された。この現象は添加剤を水のみと、または液化炭化水素燃料のみと混合した場合には起こらず、時には、制限された水不混和性が見られることもある。本発明者らは本発明者らの発明を理論的考察に拘束しようとするものではないが、上記に基づき、本発明者らは水と液化炭化水素燃料とが共存する場合、当該添加剤の各成分が、従来明らかにされていない様相で相互におよび／または水とおよび／または液化炭化水素と反応し、この（これらの）化学反応の結果として、ほぼ分子レベルの連続的相転移が、初期には不混和性の水性成分と油性成分との間で生じるものと推定する。
【００１４】
本発明による添加剤中に存在するアルコール、カルボン酸アミドおよびカルボン酸の炭素幹鎖は、直鎖状、分枝鎖状または環状であることができ、また任意に不飽和結合を含有することができるが、芳香族構造は除外される。アルコールは、単価または多価アルコールであることができ、このうち多価アルコール（ポリオール）は好適である。同様に、カルボン酸はまた、モノカルボン酸またはポリカルボン酸であることができ、このうちポリカルボン酸は好適である。カルボン酸アミドは、モノカルボン酸またはポリカルボン酸から誘導されるアミドであることができ、そのカルボキシ基が部分的にアミド化されている化合物を包含する。
アルコール、カルボン酸アミドおよびカルボン酸成分は、単独化合物であることができ、またはこれらはそれぞれ２種または３種以上のアルコール、カルボン酸アミドおよびカルボン酸の混合物であることができる。
【００１５】
所望により、１種または２種以上の慣用の燃料添加剤をまた、本発明による添加剤と混合することもできる。このような慣用の燃料添加剤には、例えばオクタン価増加剤、燃焼促進剤、耐久性改良剤および腐蝕抑制剤がある。これらの物質は、それらの目的により規定されている慣用の量で本発明による添加剤に添加することができ、この量は当業者にとって周知である。
もう一つの態様において、本発明は内燃機関用の安定化された液体燃料に関し、この液体燃料は、燃料の総重量について計算して、
−１０〜４０（好ましくは、１５〜３５）重量％の水、
−４５〜８５（好ましくは、５０〜７０）重量％の液化炭化水素燃料、および
−５〜１５（好ましくは、１０〜１５）重量％の上記定義のとおりの安定化添加剤、
を含有する。
本発明による安定化液体燃料は、その硬度に関係なく、好ましくは水道水を含有することができるが、脱鉱物水および蒸留水もまた、使用することができる。
【００１６】
本発明による安定化燃料の液化炭化水素燃料成分は、内燃機関の駆動に好ましく用いられる液化炭化水素留分のいずれかであることができ、ペトロール、ガソリン、ディーゼル燃料およびケロシンが挙げられる。本発明による安定化液体燃料はまた、本発明による添加剤以外に、１種または２種以上の別の慣用の添加剤、例えばオクタン価増加剤、腐蝕抑制剤などを含有することができ、これらは慣用の量で存在させることができる。これらの別種の添加剤はまた、液化炭化水素燃料の用語および量に包含され、従って、「液化炭化水素燃料」の用語はまた、１種または２種以上の慣用の添加剤を含有する液化炭化水素燃料を包含する。ここで、液化炭化水素がペトロールである場合、本発明による安定化液体燃料にオクタン価増加添加剤を添加する必要がないことに留意されるべきである。これは、水の存在が格別のオクタン価増加効果を発揮するからである。このことは、本発明に従い安定化されたペトロールを基材とする燃料の非常に重要な利点である。
【００１７】
安定化させる水性燃料の液化炭化水素成分が鉱油蒸留の第一（軽質）留分の１種である場合、各成分が７個までの炭素原子を含有する添加剤の使用が一般に好適である。
本発明による安定化液体燃料は、諸成分を相互に混合することによって製造する。非常に簡単な操作であることから、当該燃料の保存場所で、または使用の直前でさえも、操作を行うことができる。相互に混合させる成分の導入順序に制限はないが、簡単であることから、水と液化炭化水素燃料との予備形成混合物に、本発明による添加剤を予備形成混合物として添加すると好ましいことが明らかになった。任意に必要な追加の添加剤は、これらが添加剤中におよび／または液化炭化水素燃料中にすでに存在していない場合、いずれかの段階で導入することができる。しかしながら、これらの成分は相違する順序で混合することもできる。本発明による添加剤の個々の成分を別々に、燃料成分と混合することさえできる。しかしながら、この方法は幾分の労力を要し、またほとんど有利な解決法ではない。
【００１８】
もう一つの態様において、本発明は、本発明による添加剤を水含有液化炭化水素燃料の安定化に使用することに関する。本発明はまた、本発明による安定化燃料を内燃機関の駆動に使用することに関する。
われわれの走行試験において、本発明者らは、２種の燃料中に存在する液化炭化水素が同一種のものであるかぎり、動力のいずれの減少も伴わず、またはエンジン駆動におけるいずれか別段で見出される変化も伴わずに、本発明による安定化燃料を別種の燃料と混合（給油）することができることを見出した。このことは、給油の観点から非常に重要である。従って、本発明による安定化添加剤は、相違する給油所で得ることができる燃料間の偶発的品質の差異を良好に均衡させることができ、また本発明による安定化燃料はいずれの障害も伴うことなく、慣用の（水を含有していない）燃料と混合することができるという追加の利点を有する。
【００１９】
本発明による添加剤のもう一つの利点は、エンジンを駆動させた場合、その成分の全部が、有害物質を提供することなく充分に燃焼され、従って当該添加剤から環境に対して有害物質は排出されないことにある。本発明者らの走行試験において、本発明による安定化燃料を用いて駆動されたエンジンを、それらの発生物について試験し、排出ガスをそれらの組成について分析した。環境保護の観点から重要なパラメーター（ＮＯ、ＮＯ_ｘ、ＣＯ、ＣＯ₂ ）は、水を含有しておらず、また本発明による添加剤を含有していない同一液化炭化水素燃料を用いて駆動させたエンジンで見出された結果に比較して、さらにより好ましいことが常時、見出された。ディーゼル燃料駆動エンジンの場合でさえも、排気煙は格別に減少されることが見出された。
本発明のさらに詳細な説明を下記の非制限的例により示す。
【００２０】
例１
この例は、インゼクターおよび触媒を備えたペトロール駆動４駆動エンジンに適用することができる燃料の製造を示す。この実験で得られた経験および燃料の品質試験結果をまた示す。
１２バルブの２．２リットルインゼクターエンジンを備え、３１８，０００ｋｍの走行距離を有するマツダ(Mazda)626型乗用車を被験車として使用した。本発明による燃料は、オクタン価９１を有する無鉛ペトロール６５８ｇ、添加剤７０ｇ（ペンタンカルボキシアミド０．７重量部、シクロヘキサノール０．７重量部およびペンタンジカルボン酸５．６重量部からなる）、およびドイツ国硬度(German degree) ２３゜を有する水道水２７２ｇから、連続撹拌下に水に添加剤を添加し、生成する混合物を連続撹拌下に無鉛ペトロールに添加する方式で製造した。その後、この混合物を充分に透明な燃料が得られるまで電気ミキサーで均質化した。この生成する燃料を、ペトロール駆動車の予め空にしたタンクに充填した。始動後、車の速度を８０ｋｍ／時間まで通常の様相で加速し、また車は燃料が消費されるまで、ほぼ一定の速度で運転した。この試験において、エンジンの加速能力は、以前と同一であり、また走行不規則性または無点火は見出されなかった。これらの条件下に、１８．２ｋｍの運転をすることができた。同一条件であるが、９１のオクタン価を有する無鉛ペトロール１ｋｇを用いて試験を反復した場合、１５．５ｋｍの運転が可能であった。点火プラグの色の変化は見出されなかった。
【００２１】
この試験の第二段階で、本発明による燃料から通常の燃料への、および通常の燃料から本発明による燃料への変換結果を試験した。この変換は、タンクに単純に給油することによって行った。どちらの変換でも、エンジン駆動における検出可能な変化は見出されなかった。
この例に開示されている添加剤は、その量を相当して増加すると、６０：４０のペトロール：水比まで適用することができる。
この例に記載のとおりの組成を有する本発明による燃料の品質試験結果を下記表１に示す。比較の目的で、９１のオクタン価を有する無鉛の水を含有していないペトロールを用いて見出された結果をまた、示す。
【００２２】
【表１】
表 １

（ＭＳＺ＝ハンガリー国基準）
【００２３】
試験台で行われた動力試験の結果を表２に示す。これらの試験において、標準動力は、２２５ＶＡに調整した。各試験で、燃料２００ｍｌを使用した。この試験は、無鉛ペトロール（オクタン価：９１）、例１に記載のとおりの組成を有する添加剤および表２に記載のとおりの量の水を混合することによって得られた燃料を用いて行った。
【００２４】
【表２】
表 ２

【００２５】
例２
被験車は、１．５リットルのシリンダー容積を有するエンジンを備え、ターボチャージャーを備えていないディーゼル燃料で駆動されるＶＷマイクロバスであった。この車は４８，０００ｋｍの走行距離を有していた。水含有燃料は、下記のとおりに製造した：
添加剤５０ｇ（ペンタン−カルボキシアミド１．５重量部、オクタノール０．５重量部およびデカンジカルボン酸／Ｃ₁₀Ｈ₁₈Ｏ₄ ／３重量部からなる）を、水道水２５０ｇに添加し、生成する水性混合物を激しく撹拌しながら、ディーゼル燃料７００ｇに添加した。充分に透明な液体が得られるまで、撹拌を継続した。その後、例１に記載の試験走行を反復した。燃料が消費されるまで、１７．０ｋｍの運転が可能であった。これに対して、真性ディーゼル燃料を使用した場合、別の点では同一条件において、１６．０ｋｍの運転が可能であったのみである。本発明による燃料から通常のディーゼル燃料への変換およびその逆の変換に際して、駆動中の異常は見出されなかった。この例に開示の添加剤は、６０：４０のディーゼル燃料：水重量比まで、その量を相当して増加して、適用することができる。
【００２６】
この例に開示の燃料を用いて行われたもう一つの試験において、１９０ＨＰの公称エンジン動力を有するイカラズ(Ikarusz) ２５６バスを被験車として使用した。この車の前記燃費は２９．０リットル／１００ｋｍであった。本発明による燃料の使用を開始する前に、この車をモーター診断試験(motor diagnostic test) に付した。この結果を下記に示す：

【００２７】

【００２８】
総合的モーター診断試験結果は、次の実力を示した：
圧縮最終圧は、偏差がむしろ大きいものとして、許容される程度のみである；燃費および潤滑油消費量は共に優れている。
次いで、この車を例２に記載の燃料を用いて連続駆動させ、８０４２ｋｍの走行後、診断試験を反復した。次の結果が得られた：

【００２９】

【００３０】
総合車診断試験結果は下記の実力を示した：
シリンダーの圧縮最終圧の僅かな増加が見られたが、総合圧力は充分に均一のパターンを示し、従って結果は優秀である。燃料消費比に無視できる増加が見られたが（３．１％）、従来の数値（９３．１３％）よりも格別に低いままである。

Claims (10)

1. 水含有液化炭化水素燃料安定化用添加剤であって、
   −炭素原子５〜１０個を有するアルコール、
   −上記アルコールの１重量部について計算して、０．５〜３重量部の炭素原子５〜１０個を有するカルボン酸アミド、および
   −上記アルコールの１重量部について計算して、３〜１０重量部の炭素原子５〜１０個を有するカルボン酸、
   を含有する上記添加剤。
2. アルコール、カルボン酸アミドおよびカルボン酸成分がそれぞれ、７個までの炭素原子を含有する、水含有軽鉱油留分燃料を安定化するための請求項１に記載の添加剤。
3. 内燃機関用の安定化された液体燃料であって、
   −水１０〜４０重量％、
   −液化炭化水素燃料４５〜８５重量％、および
   −請求項１に記載の添加剤５〜１５重量％、
   （ここで、上記全部のパーセンテージは上記液体燃料の総重量について計算された量である）
   を含有する安定化された液体燃料。
4. 液化炭化水素燃料が鉱油蒸留の軽質留分の１種であり、また添加剤が請求項２に記載の添加剤の１種である、請求項３に記載の安定化された液体燃料。
5. 液体燃料の総重量について計算して、１５〜３５重量％の水を含有する、請求項３または４に記載の安定化された液体燃料。
6. 液体燃料の総重量について計算して、５０〜７０重量％の液化炭化水素燃料を含有する、請求項３〜５のいずれかに記載の安定化された液体燃料。
7. 液体燃料の総重量について計算して、１０〜１５重量％の請求項１または２に記載の添加剤を含有する、請求項３〜６のいずれかに記載の安定化された液体燃料。
8. 請求項３〜７のいずれかに記載の安定化された液体燃料の製造方法であって、水、液化炭化水素燃料および請求項１または２のいずれかに記載の添加剤またはその各成分を、請求項３〜７のいずれかに記載の割合で相互に混合することを包含する上記製造方法。
9. 請求項１または２に記載の添加剤の水含有液化炭化水素燃料の安定化における使用。
10. 請求項３〜７のいずれかに記載の安定化された液体燃料の内燃機関を駆動させるための使用。